極地船舶與浮體結(jié)構(gòu)物力學(xué)問(wèn)題研究綜述

薛彥卓，倪寶玉，2

(1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;2.University College London，Department of Mechanical Engineering，London，UK，WC1E 7JE)

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極地船舶與浮體結(jié)構(gòu)物力學(xué)問(wèn)題研究綜述

薛彥卓1，倪寶玉1，2

(1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;2.University College London，Department of Mechanical Engineering，London，UK，WC1E 7JE)

摘要:北極航道的開(kāi)發(fā)和極地資源的勘采為船舶與海洋工程裝備設(shè)計(jì)制造提供了良好的發(fā)展契機(jī)，但極地極端載荷環(huán)境所引起的復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題也相應(yīng)地提出了巨大的挑戰(zhàn)。為此，本文首先梳理極地航行船舶與浮體結(jié)構(gòu)物涉及的基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題，回顧并討論國(guó)內(nèi)外在相關(guān)力學(xué)問(wèn)題方面的研究進(jìn)展和技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)于極區(qū)波浪傳播的理論模型，分析了質(zhì)量荷載模型，彈性薄板模型，粘性層模型和粘－彈性模型的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性;對(duì)于海冰力學(xué)行為的數(shù)值方法，闡述了有限元法(FEM)和離散元法(DEM)的數(shù)值模擬進(jìn)展;對(duì)比了冰區(qū)船舶的自由航行和約束船模實(shí)驗(yàn)等。本文為航行船舶與浮體結(jié)構(gòu)物的研發(fā)提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞:北極;極地船舶;浮體結(jié)構(gòu)物;力學(xué)問(wèn)題;綜述

近40年來(lái)，北極海冰的覆蓋面積和厚度持續(xù)縮減，這種變化趨勢(shì)所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值已引起世界各國(guó)的極大關(guān)注。一方面，北極航道是連接太平洋北部與大西洋北部最短的航道，使用北極航道要比繞行南部的蘇伊士運(yùn)河和巴拿馬運(yùn)河節(jié)省至少40％的航程;另一方面，北極油氣資源儲(chǔ)存量巨大，據(jù)評(píng)估世界上30％未開(kāi)采的天然氣和13％未開(kāi)采的石油儲(chǔ)存在北極圈內(nèi)。為開(kāi)發(fā)北極航道和開(kāi)采北極資源，世界各國(guó)尤其近極地國(guó)家如美國(guó)、俄羅斯、加拿大等均加大極地航行船舶和浮體結(jié)構(gòu)物的研發(fā)力度，在極地環(huán)境載荷預(yù)報(bào)、浮體結(jié)構(gòu)響應(yīng)、總體性能控制、海洋裝備設(shè)計(jì)評(píng)估等方面取得了較大進(jìn)展。

極地地區(qū)由于極端的環(huán)境載荷條件，對(duì)船舶和海洋工程裝備的材料、結(jié)構(gòu)形式、力學(xué)性能、總體性能和設(shè)計(jì)等均提出了巨大挑戰(zhàn)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的適應(yīng)性和可靠性也提出了嚴(yán)格的要求。為了提升我國(guó)極地航運(yùn)和資源作業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造能力，深入系統(tǒng)地分析極地裝備的基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題是前提和關(guān)鍵。

1　極地裝備基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題剖析

極地裝備是一個(gè)十分復(fù)雜又精密的系統(tǒng)，其對(duì)應(yīng)的力學(xué)問(wèn)題也是繁冗又艱澀的，如圖1所示。本文將主要論述“環(huán)境輸入－裝備響應(yīng)”兩個(gè)層面中的某幾個(gè)典型力學(xué)問(wèn)題。具體而言，“環(huán)境輸入”指極地航行和作業(yè)的環(huán)境載荷輸入，包含極地典型海域的海冰和海洋等環(huán)境載荷;“裝備響應(yīng)”指裝備在載荷輸入下的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)響應(yīng)，包括動(dòng)力性能和運(yùn)動(dòng)性能等。

圖1　極地航行船舶與浮體結(jié)構(gòu)物力學(xué)問(wèn)題示意簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of mechanical problems of polar ships and floating structures

2　極地環(huán)境輸入

極地的環(huán)境條件是惡劣的，低溫、海冰、風(fēng)暴、表面波、內(nèi)波、海流等均使得極地海域的環(huán)境載荷較之其他海域更加復(fù)雜。充分分析并掌握極地環(huán)境的內(nèi)在規(guī)律性，是進(jìn)行極地航運(yùn)和資源作業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)制造的前提條件。這里將分別從極地典型海域浪流演化規(guī)律和海冰力學(xué)行為這兩大方面分析極地環(huán)境輸入。

隨著近年來(lái)海冰面積和厚度的減小，極區(qū)表面波強(qiáng)度已經(jīng)顯著增強(qiáng)，尤其在極區(qū)的冰緣區(qū)和副極區(qū)的冰水交界處，波浪引起的力是海冰運(yùn)動(dòng)的主要作用力之一。同時(shí)，由于極地海水的密度和鹽度隨深度變化較大，極地海域的內(nèi)波和海流以及引起的流體混合對(duì)極地海洋的循環(huán)和熱動(dòng)力學(xué)起到重要的作用。表面波、內(nèi)波和海流的傳播和變化不僅影響海冰的運(yùn)動(dòng)和分布，對(duì)工作在其影響區(qū)域內(nèi)的船舶和海洋平臺(tái)也將引起嚴(yán)重的環(huán)境載荷。

2.1.1表面波傳播特性

對(duì)于極區(qū)和副極區(qū)內(nèi)表面波的傳播特性，目前國(guó)內(nèi)外主要有以下幾種波浪傳播模型［1］:質(zhì)量荷載模型，彈性薄板模型，粘性層模型和粘－彈性模型等。質(zhì)量荷載模型是最早研究波浪－海冰相互作用的模型之一，此模型將海冰假定為由不相互作用的質(zhì)量點(diǎn)構(gòu)成的連續(xù)體，該連續(xù)體對(duì)水表面施加壓力但是其內(nèi)部不具備相干性也不具備流變性。彈性薄板模型假設(shè)冰蓋面是一個(gè)薄但均勻的彈性薄板。粘性層模型中，海冰被假設(shè)為一層粘性流體，而海水則假設(shè)為無(wú)粘流體。通過(guò)在海冰－海水和海冰－空氣交界面處進(jìn)行垂向速度和應(yīng)力的匹配獲得交界面的邊界條件，并由此可以獲得波浪的色散關(guān)系。粘彈性模型將上述3種模型一般化，用于預(yù)測(cè)整個(gè)邊緣區(qū)不同海冰類型下波浪的傳播。實(shí)際上，粘彈性模型與粘性模型的思路是類似的，但是二者有效粘性系數(shù)不同，粘彈性模型中考慮了海冰有效剪切模量的影響。

2.1.2內(nèi)波和海流傳播特性

極地海洋中關(guān)于內(nèi)波和海流最早的科學(xué)觀察之一是Nansen［2］，此后，大量關(guān)于內(nèi)波和海流的研究開(kāi)始出現(xiàn)。極地海洋的內(nèi)波、海流及其引起的流體混合和其他海洋觀測(cè)到的現(xiàn)象有很大不同。在世界的大多數(shù)海洋中，內(nèi)波譜可以通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的譜很好地描述，通常稱為“GM”譜，而在極地海洋中，內(nèi)波的統(tǒng)計(jì)特性表現(xiàn)得更加多變。早期的觀測(cè)顯示冰蓋下的內(nèi)波能量幅值比其他典型開(kāi)放海洋測(cè)得的小1～2個(gè)量級(jí)，然而后來(lái)觀測(cè)顯示在弗拉姆海峽區(qū)域冰蓋下內(nèi)波的能量比開(kāi)放海域要大得多。不僅如此，極地海洋深處的測(cè)量顯示了內(nèi)波和海流場(chǎng)強(qiáng)度有較強(qiáng)的季節(jié)性，即在不同季節(jié)里，冰蓋的存在與否對(duì)于內(nèi)波和海流的影響較大，這可能是因?yàn)閮?nèi)波不僅水平運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還垂直運(yùn)動(dòng)(與表面波不同)，而冰蓋的存在對(duì)于距離其較近的內(nèi)波的垂直運(yùn)動(dòng)有較大影響。在理論研究和數(shù)值模擬上，目前對(duì)于其他開(kāi)放海域內(nèi)波的研究和應(yīng)用較多，而對(duì)于極地內(nèi)波的相對(duì)較少。對(duì)于極地內(nèi)波的研究主要是基于海洋觀測(cè)、SAR遙感技術(shù)和模型實(shí)驗(yàn)等，對(duì)于極地內(nèi)波和海流傳播和演化規(guī)律的理論研究和數(shù)值模擬尚需要進(jìn)一步深入開(kāi)展。

2.2海冰力學(xué)行為

水生產(chǎn)力最初指農(nóng)業(yè)灌溉中的水分利用效率，即單方水的有效產(chǎn)出，近年逐漸成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一。國(guó)際水管理研究所（IWMI）、聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）、國(guó)際植物基因資源研究所（IPGRI）等著名機(jī)構(gòu)在全球范圍內(nèi)相繼開(kāi)展了一系列的水生產(chǎn)力研究計(jì)劃。其中，IWMI提出的水生產(chǎn)力概念為單位（體積或價(jià)值）水資源所生產(chǎn)出的產(chǎn)品數(shù)量或價(jià)值。這種水生產(chǎn)力概念范疇較窄，主要用于衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率與效益，不足以反映整個(gè)社會(huì)的水資源利用能力與技術(shù)水平。

人們對(duì)于海冰的關(guān)注和研究最早可以追溯到16世紀(jì)50年代，最早大概在1550－1616年期間，俄羅斯商船開(kāi)始在白令海和亞馬爾半島間進(jìn)行商業(yè)運(yùn)輸，從此人們開(kāi)始接觸北極的海冰。從1950年開(kāi)始，國(guó)際上有關(guān)國(guó)家或組織就開(kāi)始逐步合作研究海冰的物理特性以及冰動(dòng)力學(xué)、冰運(yùn)動(dòng)學(xué)和大氣－海冰－海洋系統(tǒng)耦合等，對(duì)于海冰的研究范圍和領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。本文重點(diǎn)將放在可能影響航運(yùn)航道的海冰分布與遷移狀態(tài)和影響海冰載荷的海冰力學(xué)特性這兩個(gè)主要方面上。

2.2.1海冰的分布和遷移

海冰的分布和遷移表現(xiàn)出了極大的時(shí)空效應(yīng)，在時(shí)間上，海冰分布表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性和年際性，例如北極海冰的覆蓋面積從9月份最小的4× 106km2到3月份最大的16×106km2。同時(shí)，海冰還在海風(fēng)、表面波、內(nèi)波和海流的作用下不斷地遷移運(yùn)動(dòng)，例如海冰在“穿極漂流”的作用下，最大漂移速度可達(dá)10 cm/s。為了研究北極海冰的分布和運(yùn)動(dòng)，自20世紀(jì)60年代，研究者不斷建立和發(fā)展了眾多海冰模式，大體可以劃分為動(dòng)力模式、熱力模式、動(dòng)力－熱力模式和海冰－海洋耦合模式等［3］。動(dòng)力模式中海冰的輸送主要由動(dòng)力過(guò)程控制，建立海洋冰蓋中單位面積海冰的動(dòng)量平衡;熱力模式中將海冰和大氣的熱力作用作為外強(qiáng)迫輸入到冰蓋的熱力學(xué)方程中，主要模擬冰厚和冰范圍的季節(jié)變化;動(dòng)力－熱力模式綜合考慮了海冰熱力和動(dòng)力的相互影響:熱力過(guò)程通過(guò)消融和凍結(jié)改變冰厚和水道分布，由此影響冰漂移;動(dòng)力過(guò)程通過(guò)成脊和平流改變冰厚分布，由此影響熱力過(guò)程;海冰－海洋耦合模式則更加全面地考慮了海洋和海冰熱狀況之間的相互影響，和海洋環(huán)流對(duì)于海冰漂移的動(dòng)力影響。

2.2.2海冰的力學(xué)特性

對(duì)于力學(xué)特性，海冰無(wú)疑是目前最復(fù)雜的“材料”之一，無(wú)論就其流變特性還是就其幾何形狀和形式而言。從宏觀角度而言，溫度和加載速率是在定義海冰材料屬性時(shí)最重要的兩大因素，從微觀角度而言，海冰顆粒的大小和排列方向以及孔隙的尺寸和形狀是影響海冰類型的重要因素。一般將海冰視為同時(shí)具有韌性和脆性的多晶體，從韌性到脆性的轉(zhuǎn)變主要取決于顆粒大小，溫度和加載速率等。此外，當(dāng)海冰與結(jié)構(gòu)物碰撞時(shí)，海冰的破壞模式是十分復(fù)雜的，可能存在的破壞模式有［4］:接觸點(diǎn)處破碎，局部或大尺度的脆性斷裂，彎曲，屈曲和失穩(wěn)，撕裂，碎裂，短期或長(zhǎng)期蠕變等。這些破壞模式一般都是組合出現(xiàn)而不是單獨(dú)出現(xiàn)的，這更增加了研究海冰破壞模式的難度。最常發(fā)生的破壞模式同時(shí)取決于海冰和結(jié)構(gòu)物的材料特性和幾何特征，還有運(yùn)動(dòng)形式和邊界條件等。典型的破壞模型如圖2［4］所示，依次為擠壓破壞，壓屈破壞，彎曲破壞和縱向剪切破壞。為研究海冰的力學(xué)行為，人們從不同角度建立了一系列海冰動(dòng)力學(xué)本構(gòu)模型，如彈塑性、粘塑性、各向異性和顆粒流體動(dòng)力學(xué)中的粘彈塑性模型等。

圖2　海冰的不同破壞模式Fig.2 Different damage styles of sea ice

3　極地裝備響應(yīng)

在極地環(huán)境載荷輸入條件下，極地航行船舶和資源作業(yè)設(shè)備將相應(yīng)地做出動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的響應(yīng)。對(duì)于動(dòng)力性能，主要從結(jié)構(gòu)－海冰持續(xù)作用方面進(jìn)行綜述;對(duì)于運(yùn)動(dòng)性能，主要針對(duì)極地航行船舶的阻力、推進(jìn)和操縱性三方面進(jìn)行綜述。

3.1動(dòng)力性能

從數(shù)學(xué)模型角度而言，結(jié)構(gòu)與海冰的持續(xù)作用目前主要有兩種數(shù)學(xué)模型:一是根據(jù)問(wèn)題關(guān)注點(diǎn)不同而將結(jié)構(gòu)和海冰分別視為剛體、彈性體或者彈塑性體等，例如將海冰視為帶有彈性地基(海水的浮力)的彈性或彈塑性薄板;一是將結(jié)構(gòu)和海冰視為一系列滿足各自運(yùn)動(dòng)方程的離散單元的集合。對(duì)應(yīng)的主流數(shù)值方法則分別是有限元方法(FEM)和離散元法(DEM)。有限元法基于能量方程或加權(quán)殘量方程求解結(jié)構(gòu)或海冰任意體積處的力和力矩的靜平衡方程。Izumiyama等人［5］應(yīng)用有限元法模擬固定圓柱與海冰的相互作用。Su等人［6］引入海冰破壞模型并進(jìn)一步發(fā)展了海冰與圓錐結(jié)構(gòu)碰撞的有限元法。從上世紀(jì)90年代，離散元方法開(kāi)始應(yīng)用于海冰與結(jié)構(gòu)的碰撞和破碎過(guò)程研究，離散元法將結(jié)構(gòu)或海冰視為離散的塊體或顆粒體，采用牛頓第二定律求解塊體或顆粒體間的接觸問(wèn)題。Hansen和L?set［7］最早采用二維圓盤(pán)離散元方法研究了碎冰區(qū)海冰對(duì)船體的作用力。Lau等人［8］分別采用二維和三維海冰相關(guān)問(wèn)題的離散元代碼(DECICE)對(duì)一系列海冰－結(jié)構(gòu)和海冰－船的碰撞問(wèn)題進(jìn)行了模擬。季順迎等人［9］采用顆粒離散單元模型數(shù)值模擬海冰與直立體之間的碰撞，確定不同樁腿直徑下結(jié)構(gòu)的冰振響應(yīng)和冰載荷，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖3　垂直立柱與海冰相互作用模型實(shí)驗(yàn)Fig.3　Interaction between ice and vertical column

圖4　帶斜面樁腿與海冰相互作用的模型實(shí)驗(yàn)Fig.4 Interaction between ice and conical structure

在模型實(shí)驗(yàn)方面，海冰與結(jié)構(gòu)物的持續(xù)作用和結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析的實(shí)驗(yàn)主要在國(guó)內(nèi)外的冰水池中進(jìn)行，例如德國(guó)漢堡冰水池、芬蘭阿爾托大學(xué)北極海洋研究中心冰水池、加拿大國(guó)家海洋技術(shù)研究中心冰水池和俄羅斯克雷洛夫國(guó)家科學(xué)中心的冰水池等，涉及的結(jié)構(gòu)形式也是包含多種，例如用于模擬海洋平臺(tái)樁腿的單個(gè)或多個(gè)圓柱、單個(gè)或多個(gè)帶有錐形斜面的圓柱;用于模擬海上風(fēng)機(jī)基座的圓錐形結(jié)構(gòu)和用于模擬破冰船的縮比船模等等。圖3和圖4給出了國(guó)內(nèi)天津大學(xué)冰水池內(nèi)海冰與不同類型樁腿相互作用的模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果［10－11］。

3.2運(yùn)動(dòng)性能

3.2.1冰區(qū)阻力性能

在冰阻力預(yù)報(bào)方面，通?？刹捎靡韵聨追N方法:半經(jīng)驗(yàn)估算法、理論分析和數(shù)值模擬法以及船模試驗(yàn)法。在半經(jīng)驗(yàn)估算方面，目前應(yīng)用較為廣泛的是Spencer［12］的船舶在平整冰中冰阻力公式，認(rèn)為冰阻力由3部分組成，即Rice=Rb+Rs+Rf，其中Rb、Rs和Rf分別代表破冰阻力、浮冰(或浸沒(méi))阻力和清冰(或摩擦)阻力，破冰阻力部分源自將冰斷裂的力如船舶擠壓、彎曲或翻轉(zhuǎn)冰等;浮冰(或浸沒(méi))阻力部分是船舶將碎冰沿著船體斜面向斜下方推移，浸沒(méi)于水下的海冰因浮力在船舶斜面上產(chǎn)生的阻力;清冰(或摩擦)部分源自碎冰沿船體向后滑移的力。通常認(rèn)為前兩項(xiàng)與船舶速度無(wú)關(guān)，而第3項(xiàng)與船舶速度成正比。在此基礎(chǔ)上，船舶在冰區(qū)航行的總阻力可則由冰阻力和水阻力組成。這一阻力劃分方式為阻力的數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)研究提供了良好的基礎(chǔ)。在理論分析和數(shù)值模擬方面，主要通過(guò)有航速的船舶與海冰相互碰撞摩擦的基礎(chǔ)上，獲得局部冰載荷，再通過(guò)積分獲得總體冰載荷。Valanto［13］建立了平整冰下船舶水線處破冰的三維有限元數(shù)值模型，與實(shí)際測(cè)量值吻合較好，能夠起到良好的阻力預(yù)報(bào)功能。Kim等［14］應(yīng)用LS－DYNA軟件數(shù)值模擬了自破冰型貨船在碎冰條件下阻力性能，并與韓國(guó)的非凍結(jié)模型冰試驗(yàn)結(jié)果和加拿大的凍結(jié)模型冰試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。船模試驗(yàn)法可分為冰水池的凍結(jié)模型冰試驗(yàn)和常規(guī)拖曳水池的非凍結(jié)模型冰試驗(yàn)。目前，冰水池凍結(jié)模型試驗(yàn)只有國(guó)外的一些冰水池試驗(yàn)室開(kāi)展過(guò)。對(duì)于常規(guī)拖曳水池的非凍結(jié)模型冰試驗(yàn)，通常采用石蠟為模型冰，許國(guó)國(guó)家進(jìn)行過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

3.2.2冰區(qū)推進(jìn)性能

在推進(jìn)性能預(yù)報(bào)方面，國(guó)內(nèi)外著重開(kāi)展了冰槳接觸和非接觸狀態(tài)下的載荷和水動(dòng)力性能分析研究。對(duì)于冰槳接觸的問(wèn)題，其中冰載荷的大小主要由槳葉和層冰碰撞時(shí)的接觸面積決定，可采用經(jīng)驗(yàn)公式確定槳葉上的冰載荷，在一些船級(jí)社冰級(jí)規(guī)范中也能查閱到建議的槳葉冰載荷公式，例如芬蘭瑞典冰級(jí)規(guī)范;也可采用實(shí)槳試驗(yàn)和模型試驗(yàn)確定，其中模型實(shí)驗(yàn)又大體可劃分為兩類:簡(jiǎn)化的類似槳葉形狀工具的壓縮/搖擺實(shí)驗(yàn)和模型槳在覆蓋冰層的水中的實(shí)際旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。對(duì)于冰槳非接觸的問(wèn)題，因海冰的存在會(huì)對(duì)螺旋槳的水動(dòng)力載荷產(chǎn)生很大的干擾，主要體現(xiàn)在“阻塞效應(yīng)”、“鄰近(或邊界)效應(yīng)”和“空泡效應(yīng)”等。對(duì)于“阻塞效應(yīng)”，主要是因?yàn)楹１鶋K的存在干擾了螺旋槳的前方來(lái)流，導(dǎo)致了進(jìn)速系數(shù)降低，從而升高了螺旋槳的推力和扭矩系數(shù);對(duì)于“鄰近(或邊界)效應(yīng)”，主要是因?yàn)槁菪龢戏奖鶎拥拇嬖谠黾恿寺菪龢c冰層間隙的流速，同時(shí)因附近海冰和螺旋槳葉的相互作用會(huì)引起非定常載荷;對(duì)于“空泡效應(yīng)”，主要是因?yàn)楹１拇嬖谠黾恿寺菪龢~面上的局部流速，降低了槳葉上的局部壓力，導(dǎo)致空化現(xiàn)象更容易發(fā)生，從而影響推力和扭矩。對(duì)于非接觸的水動(dòng)力載荷，目前較為廣泛的數(shù)值模擬方法是基于勢(shì)流理論的邊界元法和升力面法等。Shih等［15］采用二維邊界元法計(jì)算槳葉在阻塞流中的阻力和升力系數(shù)，計(jì)算表明阻塞流中的最大的推力/扭矩較之開(kāi)放水域中增加數(shù)倍。Liu等［16］采用加拿大紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)等聯(lián)合開(kāi)發(fā)的內(nèi)部的非定常邊界元法程序PROPELLA，以R－Class號(hào)破冰船的螺旋槳為目標(biāo)槳，模擬3種不同形狀海冰塊阻塞流中螺旋槳的性能，包括軸推力、轉(zhuǎn)矩和軸向力等。在國(guó)內(nèi)，冰區(qū)推進(jìn)性能的研究尚屬起步階段，實(shí)船和模型試驗(yàn)均尚未開(kāi)展。

3.2.3冰區(qū)操縱性能

在操縱性能預(yù)報(bào)方面，在理論分析和數(shù)值模擬上，主要有兩種思路:一是參照船舶在常規(guī)水域的操縱性方程，將海冰的影響考慮到常規(guī)操縱性方程的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)中;另一種是修改耦合的橫蕩/艏搖運(yùn)動(dòng)方程，即直接建立在冰區(qū)中的操縱性方程。第一種思路的典型工作是Menon等［17］，他們將模型實(shí)驗(yàn)中獲得的系數(shù)進(jìn)行泰勒展開(kāi)，并保留一階項(xiàng)作為海冰力對(duì)于船舶運(yùn)動(dòng)的影響。由于該方法自身的線性假設(shè)具有很大的局限性，所以這種方法在后來(lái)的應(yīng)用并不廣泛。第二種思路是目前的主流研究思路，典型工作如Tue－Fee等，他們假設(shè)船艏橫向冰力的不對(duì)稱性與船艏橫向破冰量的差值成正比，且接觸冰載荷假設(shè)為作用在平行中體末端的集中載荷，從而推導(dǎo)了平整冰中船舶的橫蕩/艏搖運(yùn)動(dòng)方程。基于第二種思路，近年來(lái)人們更多地采用如前所述的有限元法和離散元法數(shù)值求解海冰對(duì)于船舶的作用力，直接建立船舶在平整冰和塊狀冰中的操縱性能等。Lau＆Sim?es Ré［19］采用基于離散元的商業(yè)軟件DECICE計(jì)算了縮尺比為1∶21的破冰船‘Terry Fox’在平整冰內(nèi)的直行和回轉(zhuǎn)性能，數(shù)值結(jié)果與平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(PMM)的模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證離散元模型的有效性。Su［20］考慮了冰載荷與船體運(yùn)動(dòng)的耦合，在水平面內(nèi)建立了冰載荷與船體運(yùn)動(dòng)的三自由度耦合方程，模擬了連續(xù)式破冰過(guò)程下的直向運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，給出了VIKING破冰船在不同冰厚時(shí)的回轉(zhuǎn)半徑。在操縱性模型實(shí)驗(yàn)方面，一般可以分為兩類:自由航行和約束船模實(shí)驗(yàn)。自由航行實(shí)驗(yàn)可直接觀測(cè)船模在不同冰區(qū)類型下的操縱性，但是通常因?yàn)楸氐拇笮《拗屏舜５某叨?約束船模實(shí)驗(yàn)可通過(guò)測(cè)量船模的受力和力矩而確定經(jīng)驗(yàn)公式中所需的力和力矩導(dǎo)數(shù)等，典型的約束船模實(shí)驗(yàn)包括:直線斜拖試驗(yàn)，搖擺試驗(yàn)，旋轉(zhuǎn)臂實(shí)驗(yàn)，平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)等。

4　結(jié)論

綜上所述，近年來(lái)國(guó)際上關(guān)于極地船舶和浮體結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題的理論研究、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)技術(shù)日益豐富，取得了很大的進(jìn)步。但是國(guó)內(nèi)的有關(guān)研究剛起步，在以下幾方面仍有待于進(jìn)一步深入研究:

1)極地典型海域內(nèi)波、海流以及波－流共同演化和傳播的規(guī)律仍有待進(jìn)一步探究，在已有的其他開(kāi)放海域內(nèi)波、海流、波流相互作用的基礎(chǔ)上，結(jié)合極地海域的特點(diǎn)，推導(dǎo)并建立海冰覆蓋水域波流演化的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值求解方法;

2)在已有的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)和完善海冰力學(xué)行為有關(guān)的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值研究方法，如海冰的本構(gòu)方程，不同力學(xué)行為下海冰的破壞模式和失效判據(jù)，不同尺度下海冰力學(xué)行為的內(nèi)部關(guān)聯(lián)，海冰模型實(shí)驗(yàn)中的相似理論等;

3)進(jìn)一步關(guān)注海冰與結(jié)構(gòu)碰撞過(guò)程中的內(nèi)部動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，例如海冰和船體或平臺(tái)結(jié)構(gòu)的變形、損傷和能量消耗過(guò)程，以及碰撞過(guò)程中引起的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性、疲勞、振動(dòng)等;

4)一方面，加強(qiáng)我國(guó)在破冰船舶阻力、推進(jìn)和操縱性等方面的實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)和模型實(shí)驗(yàn)研究;另一方面，關(guān)注極地船舶在破損后的耐波性和抗沉性等性能的研究，提高極地裝備的安全性和可靠性。

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Review of mechanical issues for polar region ships and floating structures

XUE Yanzhuo1，NI Baoyu1，2
(1.College of Shipbuilding Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China;2.Department of Mechanical Engineering，University College London，London WC1E 7JE，UK)

Abstract:The development of the Arctic route and exploration for polar resources requires suitable ships and ocean engineering equipment to be designed and built，but the complex mechanical issues raised by the extreme loads experienced in the polar environment present major challenges.This study first analyzed the basic mechanical issues of sailing ships and floating structures.Research progress and technical challenges presented by mechanical problems were reviewed and discussed，and the corresponding theoretical models，numerical methods，and experimental techniques used to address these challenges were presented.The study provides a reference for the research and design of sailing ships and floating structures for use in polar regions，in the theoretical model of the propagation of polar waves，mass loading，thin elastic plate，viscous layer and viscoelastic models have been compared;in the numerical methods of ice mechanics，finite element method(FEM)and discrete element method(DEM)have been analyzed;free navigation and captured model tests of polar ships have been also studied.

Keywords:Arctic route;polar region ship;floating structure;mechanical issues;review

通信作者:倪寶玉，E－mail:nibaoyu@ hrbeu.edu.cn.

作者簡(jiǎn)介:薛彥卓(1978－)，男，副教授，博士;倪寶玉(1986－)，男，講師，博士.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11302056，51309064);博士后國(guó)際交流計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(20140068);中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012M510084);哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2013RFQSJ124).

收稿日期:2015－07－03.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2015－12－21.

中圖分類號(hào):U663.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1006－7043(2016)01－0036－05

doi:10.11990/jheu.201507011

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20151221.1613.046.html